氮化處理的缺陷及原因分析

1、、引言模具進(jìn)行氮化處理可顯著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蝕性能和抗疲勞性能。由于滲氮溫度較低，一般在500-650C范圍內(nèi)進(jìn)行，滲氮時(shí)模具芯部沒(méi)有發(fā)生相變，因此模具滲氮后變形較小。一般熱作模具鋼(凡回火溫度在550-650C的合金工具鋼 )都可以在淬火、回火后在低于回火溫度的溫度區(qū)內(nèi)進(jìn)行滲氮；一般碳鋼和低合金鋼在 制作塑料模時(shí)也可在調(diào)質(zhì)后的回火溫度下滲氮； 一些特殊要求的冷作模具鋼也可在氮化后再 進(jìn)行淬火、 回火熱處理。 實(shí)踐證明， 經(jīng)氮化處理后的模具使用壽命顯著提高，因此模具氮化 處理已經(jīng)在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 但是， 由于工藝不正確或操作不當(dāng)， 往往造成模具滲氮硬 度低、深度

2、淺、硬度不均勻、表面有氧化色、滲氮層不致密、表面出現(xiàn)網(wǎng)狀和針狀氮化物等 缺陷， 嚴(yán)重影響了模具使用壽命。因此研究模具滲氮層缺陷、 分析其產(chǎn)生的原因、 探討減少 和防止?jié)B氮缺陷產(chǎn)生的工藝措施， 對(duì)提高模具的產(chǎn)品質(zhì)量， 延長(zhǎng)使用壽命具有十分重要的意 義。二、模具滲氮層硬度偏低模具滲氮表層硬度偏低將會(huì)降低模具的耐磨性能，大大減少滲氮模具的使用壽命。模具滲氮層硬度偏低的原因(1) 滲氮模具表層含氮量低。 這是由于滲氮時(shí)爐溫偏高或者在滲氮第一階段的氨 分解率過(guò)高，即爐內(nèi)氮?dú)夥者^(guò)低。(2) 模具預(yù)先熱處理后基體硬度太低。(3) 滲氮爐密封不良、漏氣或初用新的滲氮罐。預(yù)防措施：適當(dāng)降低滲氮溫度，對(duì)控溫儀表要

3、經(jīng)常校正，保持適當(dāng)?shù)臐B氮溫度。 模具裝爐后應(yīng)緩慢加熱， 在滲氮第一階段應(yīng)適當(dāng)降低氨分解率。 滲氮爐要密封， 對(duì)漏氣的馬 弗罐應(yīng)及時(shí)更換。 新滲氮罐要進(jìn)行預(yù)滲氮， 使?fàn)t內(nèi)氨分解率達(dá)到平穩(wěn)。 對(duì)因滲氮層含氮量較 低的模具可進(jìn)行一次補(bǔ)充滲氮，其滲氮工藝為：滲氮溫度520C，滲氮時(shí)間810h，氨分解率控制在 20-30。在模具預(yù)先熱處理時(shí)要適當(dāng)降低淬火后的回火溫度，提高模具的基 體硬度。三、模具滲氮層淺模具滲氮層淺將會(huì)縮短模具硬化層耐磨壽命。模具滲氮層偏淺的原因：(1) 模具滲氮時(shí)間太短、滲氮溫度偏低、滲氮爐有效加熱區(qū)的溫度分布不均勻、 滲氮過(guò)程第一階段氮濃度控制不當(dāng) ( 氨分解率過(guò)高或過(guò)低 )等。(

4、2) 模具裝爐前未清除掉油污及裝爐量過(guò)多、模具間距太近。預(yù)防措施：(1) 要嚴(yán)格控制裝爐前模具表面質(zhì)量、 裝爐量、 爐內(nèi)溫差和氮?dú)夥铡?滲氮時(shí)間和溫度。(2) 加強(qiáng)滲氮爐密封，保證爐內(nèi)氮?dú)夥昭h(huán)正常。并按工藝要求控制氨分解率。(3) 對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)滲氮層不足的模具可進(jìn)行二次滲氮， 嚴(yán)格按照滲氮第二階段工藝補(bǔ)充 滲氮。四、模具滲氮層硬度不均勻或有軟點(diǎn)模具滲氮層不均勻或有軟點(diǎn)將會(huì)使模具在使用時(shí)性能不穩(wěn)定，薄弱區(qū)域首先磨 損較多，造成整個(gè)模具的早期損壞失效，嚴(yán)重影響模具的使用壽命。硬度不均勻或有軟點(diǎn)的原因：(1) 由于滲氮爐上、下不均衡加熱或氣流不通暢，爐內(nèi)溫度不均勻。(2) 氨氣通入管道局部堵塞，影響

5、爐內(nèi)氮?dú)夥?；爐內(nèi)氨氣循環(huán)不良。(3) 模具裝爐前未很好清理表面油污。(4) 滲氮爐內(nèi)模具裝載太多或爐內(nèi)模具間距太小、部分有接觸。預(yù)防措施：(1) 嚴(yán)格控制滲氮爐內(nèi)上、下區(qū)爐溫，使其始終保持在同一溫度區(qū)內(nèi)。(2) 定期清理氨氣進(jìn)氣管道，保持管道的通暢。(3) 模具裝爐前需用汽油或酒精等脫脂， 經(jīng)過(guò)清洗后的模具表面不能有油污或其它臟 物。(4) 模具裝爐時(shí)，模具間要保持一定距離，嚴(yán)防模具工作面接觸和重疊。(5) 爐內(nèi)氣氛循環(huán)要充分，滲氮爐要密封好，對(duì)漏氣的馬弗罐應(yīng)及時(shí)更換。五、模具滲氮后表面有氧化色模具滲氮后發(fā)生表面氧化不僅影響模具外觀質(zhì)量，而且影響模具表面的硬度和 耐磨性，嚴(yán)重影響模具使用壽命。

6、模具滲氮后表面氧化的原因：(1) 氣體滲氮罐漏氣或爐蓋密封不良。(2) 提供氨氣的干燥裝置中的干燥劑失效，通入爐中的氨氣含有水分。(3) 滲氮結(jié)束后隨爐冷卻時(shí)供氧不足造成罐內(nèi)負(fù)壓，吸入空氣造成氧化色。(4) 模具氮化后出爐溫度過(guò)高在空氣中氧化。預(yù)防措施：(1) 要經(jīng)常檢查設(shè)備，對(duì)漏氣的馬弗罐應(yīng)及時(shí)更換，要保持爐蓋密封良好。(2) 氨氣干燥裝置中的干燥劑要定期更換。(3) 滲氮后的模具最好采用油冷。 對(duì)要求嚴(yán)格控制變形的模具在滲氮結(jié)束冷卻時(shí)要繼續(xù)提供少量氨氣，避免爐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。出爐溫度控制在200 C以下，避免滲氮模具在空氣中氧化。(4) 對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生氧化的滲氮模具可在低壓下噴細(xì)砂清除，并重新加熱

7、到510C左右再進(jìn)行4h滲氮，滲氮后爐冷至 200C以下出爐。六、模具滲氮后變形模具滲氮后變形的原因：(1) 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、形狀復(fù)雜等。模具在機(jī)械加工后的殘余應(yīng)力未能很好消除。(2) 氣體滲氮爐內(nèi)溫度不均勻，模具裝爐后加熱升溫過(guò)快或出爐時(shí)冷卻速度太快。(3) 因滲氮層產(chǎn)生的組織應(yīng)力帶來(lái)形狀變化， 滲層愈厚影響愈大。 因此若工藝參數(shù)不 當(dāng)，滲氮溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、氮?jiǎng)葸^(guò)高、產(chǎn)生過(guò)厚滲氮層等都會(huì)使變形量增大。(4) 模具裝爐方法不合理，爐內(nèi)溫度不均勻、氨氣流通不穩(wěn)不暢等。預(yù)防措施：(1) 設(shè)計(jì)制造模具時(shí)應(yīng)該盡量使模具結(jié)構(gòu)對(duì)稱合理，避免厚薄懸殊。(2) 對(duì)淬火后的模具應(yīng)充分進(jìn)行回火，對(duì)機(jī)械加工

8、后的模具應(yīng)進(jìn)行退火消除應(yīng)力。(3) 制定合理的滲氮工藝。 盡量采用合理量、 較低的滲氮溫度、 合適的氮化層深度和氮?dú)夥?。?duì)變形要求較小和形狀復(fù)雜的模具應(yīng)嚴(yán)格控制加熱和冷卻速度，冷卻時(shí)要隨爐降溫，出爐溫度應(yīng)低于200C，并應(yīng)檢查爐溫，嚴(yán)格控制滲氮爐上下區(qū)的溫差。七、模具滲氮后表層出現(xiàn)網(wǎng)狀及波紋狀、針狀或魚骨狀氮化物及厚的白色脆性 層模具滲氮后表層出現(xiàn)網(wǎng)狀及波紋狀、針狀或魚骨狀氮化物及厚的白色脆性層將 會(huì)導(dǎo)致模具韌性降低、脆性增加、耐沖擊性能減弱、產(chǎn)生疲勞剝落、耐磨性能降低，大大降 低模具的使用壽命。模具氮化層出現(xiàn)網(wǎng)狀、波紋狀、針狀或魚骨狀缺陷的原因：(1) 一些熱處理廠家片面強(qiáng)調(diào)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，

9、 在制定工藝文件和實(shí)際操作時(shí)滲 氮溫度過(guò)高升溫加熱和降溫冷卻速度過(guò)快； 控溫儀表失靈、 爐內(nèi)實(shí)際溫度比儀表指示溫度高。 如溫度過(guò)高時(shí)擴(kuò)散層中的氮化物便聚集長(zhǎng)大、 彌散度下降、 在晶界上形成高氮相的網(wǎng)狀或波 紋狀組織。(2) 模具預(yù)備熱處理時(shí)淬火加熱溫度過(guò)高、模具基體晶粒過(guò)大。(3) 液氨含水量高，通入氣體滲氮爐中的氨氣含有水分。(4) 模具設(shè)計(jì)制造不合理，有尖角銳邊。(5) 氣體滲氮爐中氨分解率太低即氮?jiǎng)葸^(guò)高。(6) 預(yù)備熱處理時(shí)， 淬火加熱未在保護(hù)氣氛中進(jìn)行， 模具表層脫碳嚴(yán)重， 在滲氮后極 易出現(xiàn)針狀、魚骨狀氮化物。預(yù)防措施：(1) 正確制定模具氮化處理工藝，氮化溫度選擇在500580C，

10、般不要超過(guò)580C，并定期對(duì)控溫儀表進(jìn)行校正，升溫加熱速度不宜過(guò)快。(2) 模具預(yù)備熱處理的淬火加熱溫度不宜過(guò)高， 以免模具材料內(nèi)部組織中馬氏體晶粒 過(guò)大； 加熱應(yīng)在保護(hù)氣氛中進(jìn)行， 避免模具氧化脫碳； 調(diào)質(zhì)件應(yīng)在機(jī)械加工中把脫碳層切除 掉。(3) 氨氣要經(jīng)過(guò)干燥裝置再通入滲氮爐中，干燥劑要定期更換。(4) 模具設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)盡量避免銳角尖邊。(5) 嚴(yán)格控制滲氮爐中的氨分解率，不應(yīng)使?fàn)t中氮?jiǎng)葸^(guò)高。(6) 對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生網(wǎng)狀及波紋狀氮化物的模具可在540C左右的爐中進(jìn)行 1015h的擴(kuò)散處理， 以便有效消除模具氮化層中的網(wǎng)狀及波紋狀氮化物。八、模具滲氮層不致密、抗蝕性差 模具如在潮濕或堿性工作環(huán)境中

11、工作，還應(yīng)具有一定的抗蝕性。有抗蝕要求的 模具如因滲氮層不致密而導(dǎo)致抗蝕性差將會(huì)使模具在使用時(shí)發(fā)生銹蝕，使模具早期失效， 影響模具的使用壽命。模具滲氮層不致密原因：(1) 模具氮化前表面粗糙度大。(2) 模具裝爐前表面有銹蝕，影響滲氮層質(zhì)量。(3) 氣體滲氮爐內(nèi)氨分解率過(guò)高，模具滲氮層表面氮濃度太低。(4) 在一定的溫度下，滲氮時(shí)間太短，模具滲氮層滲氮不足。預(yù)防措施：(1) 模具滲氮裝爐前應(yīng)仔細(xì)清理其表面，不得有銹蝕存在。(2) 模具滲氮時(shí)應(yīng)采用合適的氨分解率，合理的滲氮時(shí)間，滲氮后應(yīng)快冷。(3) 對(duì)滲氮層不致密的模具把其表面清理干凈后嚴(yán)格按照氣體滲氮工藝規(guī)則再進(jìn)行 一次滲氮。九、結(jié)束語(yǔ)本文簡(jiǎn)要論述